立式加工中心主轴系统的结构设计
摘 要
加工中心由于备有刀库并能自动更换刀具，使得工件在一次装夹中可以完成多工序的加工。加工中心一般不需要人为干预，当机床开始执行程序后，它将一直运行到程序结束。加工中心还赋予了专业化车间一些诸多优点，如：降低机床的故障率，提高生产效率，提高加工精度，削减废料量，缩短检验时间，降低刀具成本，改善库存量等。由于加工中心的众多优势，所以它深受全球制造企业的青睐。
加工中心主要由主轴组件、回转工作台、移动工作台、刀库及自动换刀装置以及其它机械功能部件组成。其中的主轴组件是机床重要的组成部分，其运动性能直接影响机床加工精度与表面粗糙度。本文在查阅大量国内外文献的基础上，通过研究分析不同加工中心主轴组件的性能，综合地比较了其特点，并拟定了一个较为合理的主轴组件结构方案。同时，还就主轴、轴承以及丝杠等重要零件的机械性能进行了探讨，并对这些零件的刚度和强度进行了校核。此外，本设计中所采用的陶瓷轴承能有效地增加主轴的刚度，从而提高了加工中心的可靠性和稳定性。
关键词：主轴组件;加工中心;数控机床
目 录
1绪论 1
1.1 加工中心的发展状况 1
1.1.1 加工中心的国内外发展 1
1.1.2 主轴部件的研究进展 2
1.2 课题的目的及内容 3
1.3 课题拟解决的关键问题 3
1.4 解决上述问题的策略 4
2 方案拟定 5
2.1 加工中心主轴组件的组成 5
2.2 机械系统方案的确定 5
2.2.1 主轴传动机构 5
2.2.2 主轴进给机构 5
2.2.3 主轴准停机构 6
2.2.4 刀具自动夹紧机构 8
2.2.5 切屑清除机构 10
2.3 伺服驱动系统方案的确定 10
2.4 加工中心主轴组件总体设计方案的确定 12
3 主轴组件的主运动部件 14
3.1 主轴电动机的选用 14
3.1.1 主电机功率估算 14
3.1.2 主电机选型 14
3.2 主轴 15
3.2.1 主轴的结构设计 15
3.2.2 主轴受力分析 17
3.2.3 主轴的强度校核 22
3.2.4 主轴的刚度校核 22
3.3 主轴组件的支承 23
3.3.1 主轴轴承的类型 23
3.3.2 主轴轴承的配置 25
3.3.3 主轴轴承的预紧 26
3.3.4 主轴支承方案的确定 28
3.3.5 轴承的配合 28
3.3.6 主轴轴承设计计算 28
3.4 同步带的设计计算 30
3.5 主轴组件的润滑与密封 32
3.5.1 主轴组件的润滑 33
3.5.2 主轴组件的密封 33
3.5.3 本课题的润滑与密封方案的确定 35
3.6 键的设计计算 35
3.6.1 主轴上的键 35
3.6.2 主电机上的键 36
3.7 液压缸的设计计算 36
4 主轴组件的进给运动部件 38
4.1 进给电动机的选用 38
4.1.1 进给电动机功率的估算 38
4.1.2 进给电动机的选用 38
4.3 垂直方向伺服进给系统的设计计算 39
4.3.1 切削力估算 39
4.3.2 滚珠丝杠副的设计计算 39
结论 45
致谢 46
参考文献 47
附 录 48
附录1 48
附录2 52
参考文献
廖勇，黄容申．数控机床发展现状及趋势．重庆石油高等专科学报[J]，2002， 4（2）：25～26
陈循介．从日本2001年机电一体化展看机床发展新动向．精密制造与自动化[J]，2002（1）：4～5
张育生．从第六届中国国际机床展览看机床发展趋势．制造技术与机床[J]，2000（5）：9～10
Krar Stephen F.，Gill Arthur，Smid Peter．Computer numerical control simplified[M]．New York：Industrial Press，2001.
吴宗泽.机械设计师手册（上、下册）[M].北京：机械工业出版社，2002.
李洪.实用机床设计手册[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，1999.
谢红.数控机床机器人机械系统设计指导[M].上海：同济大学出版社，2004.
王世能.卧式机床主轴组件设计[J].机械工程师.2005，（4）：92～93
濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社.2001.
林宋，田建君．现代数控机床[M]．北京：化学工业出版社，2003.
陈蔚芳．机床数控技术及应用[M]．北京：科学出版社，2005.
田坤．数控机床与编程[M]．武汉：华中科技大学出版社，2001.
《机床设计手册》编写组.机床设计手册[M].北京：机械工业出版社，1986.
廉元国，张永洪．加工中心设计与应用[M]．北京：机械工业出版社，1995.
李善术．数控机床及应用[M]．北京：机械工业出版社，2005.
罗学科，谢富春．数控原理与数控机床[M]．北京：化学工业出版社，2003.
韩鸿鸾．数控机床的机械结构与维修[M]．山东：山东科学技术出版社，2005.
中国机械工业教育协会组．数控机床及其使用维修[M]．北京：机械工业出版社，2001.
张建民.机电一体化系统设计[M].北京：高等教育出版社.2001.
郭大庆，吴玉厚，张珂，张勇.陶瓷轴承电主轴系统的特性与分析[J].机械与电子.2005，（7）：77～78
李楠，姜韶峰.精密机床主轴轴承的安装方法分析[J].轴承.2005，（11）：2～3
张章福.铣工工艺学[M].北京：科学普及出版社，1984.
濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2001.
成大先.机械设计手册（轴及其联接·单行本）[M].北京：化学工业出版社，2004.
